用于非线性FM波形的RF信道校准

摘要

提供了一种执行脉冲压缩雷达信号自校准的系统、方法和计算机程序产品。该系统包括天线、接收器、发射器和雷达信号处理器。在正常(非校准)操作下，雷达发射器生成脉冲压缩波形，并通过天线发射它。来自此波形的任何反射由同一天线检测，并由接收器进行处理。所接收的雷达信号然后进行脉冲压缩，继之以由雷达处理器执行的更多模式特定的处理(风切变、天气、地形图等)。在校准期间，雷达发射器生成类似的脉冲压缩波形(即，校准脉冲)，但校准脉冲绕过天线，通过内置在硬件中的“校准路径”被直接发送到接收器。所得到的校准脉冲用于生成校准滤波器。在脉冲压缩之前或之后，在频域向所接收的雷达信号应用校准滤波器。

说明书

技术领域

本发明一般涉及雷达，更具地说，涉及天气雷达校准。

背景技术

一些天气雷达系统，诸如Honeywell RDR-4000，发射脉冲压缩波形，其所接收的信号在处理期间进行脉冲压缩。(脉冲压缩波形的一些例子是线性或非线性FM丘普脉冲和巴克码等。)处理所接收的数据要求所发射的脉冲压缩波形和所接收的雷达信号都通过在脉冲带宽上具有平滑幅度和线性相位的系统。在系统前端的相位和幅度误差通过使所发射和接收的信号失真而导致系统性能下降，由此增加了压缩后的范围旁瓣。为了实现所需的系统性能，这些误差必须保持在固定水平。然而，模拟前端所要求的误差预算太严格，无法保证在所有工作条件上进行设计。因为某些失真是由发射器上升时间的非线性产生的，因此传统的只有频率均衡技术不足以校正信道中的所有差错。对于不同的波形，误差也会有所不同。

天气雷达的硬件可改进得更加强壮，并由此将失真降低到可接受的水平。然而，这种解决方案会产生实际上较大的天气雷达系统，每个单元的成本都大大增加了。

因此，存在这样一种需求：降低脉冲压缩天气雷达系统中的失真，而不增加硬件复杂度，也不会大大增加每个单元的成本。

发明内容

本发明提供了一种执行所接收脉冲压缩雷达信号自校准的系统、方法和计算机程序产品。该系统包括天线、接收器、发射器和雷达信号处理器。在正常(非校准)操作下，雷达发射器生成脉冲压缩波形，并通过天线发射它。来自此波形的任何反射由同一天线检测，并由接收器进行处理。前端处理接下来涉及模数转换，并还可包括几个中间处理级。所得到的数字化、预处理的所接收雷达信号然后进行脉冲压缩，继之以由雷达处理器执行的更多的模式特定处理(风切变、天气、地形图等)。

在校准期间，雷达发射器生成类似的脉冲压缩波形(即，校准脉冲)，但不是被发射到天线，校准脉冲是通过内置在硬件中的“校准路径”被直接发送到接收器。在本发明的一个方面，校准脉冲通过天线发射，也可通过校准路径直接发送到接收器。校准信号在被发送到雷达处理器之前也要经过正常的前端预处理。所得到的校准脉冲然后与之前定义的理想信号和校准路径噪声水平的估计一起用于生成一组频域加权因子。这些加权因子然后相对于噪声增益进行标准化，以创建校准滤波器。在本发明的一个方面，雷达处理器基于之前生成的相关校准滤波器来修改校准滤波器。

在脉冲压缩之前或之后，在频域向所接收的雷达信号应用校准滤波器。

附图说明

下面参考以下附图更详细地描述本发明的优选和备选实施例。

图1示出根据本发明形成的示范天气雷达系统的框图；

图2-5示出由图1所示系统执行的示范校准过程；

图6示出校准前的信号和校准后的信号。

具体实施方式

图1示出了脉冲压缩天气雷达系统10，它使用由雷达系统10产生的实际波形确定校准滤波器，并在处理所接收的脉冲压缩雷达信号时使用该滤波器。雷达系统10包括发射器11、天线12、接收器15以及具有存储器18的雷达处理器17。

参考图2，示出了由雷达系统10执行的过程44。在步骤50和52，发射器11通常通过天线12将脉冲压缩波形发送出去。在扫描过程中的某些时刻，发射器11而是通过校准路径53将一个或多个校准波形直接发送到接收器15。在步骤56，接收器15检测通过接收路径54从天线12到来的信号，或通过校准路径53从发射器11到来的信号。这两种类型的信号都被发送到雷达处理器17，以在步骤58进行模数转换和前端预处理。在步骤60，然后根据正在处理的信号类型，执行附加的脉冲处理步骤。在接收器15接收校准信号并将其发送到雷达处理器17的情况下，创建校准滤波器，并在步骤62将其存储在存储器18中。如果向信号应用之前存储的校准滤波器，那么从存储器18中进行检索。在接收器15接收雷达返回信号并将其发送到雷达处理器17的情况下，脉冲处理可包括脉冲压缩和用所存储的校准滤波器进行滤波。然后在步骤64，雷达返回信号还根据需要进行模式处理和显示处理。

因为使用由雷达系统10产生的实际脉冲压缩波形创建校准滤波器，所以雷达系统10不断地适应于其组件所经历的任何变化，诸如温度和压力变化，其可导致时域或频域的信号失真。这还考虑了可能由发射器11的上升时间中的非线性或信道中的误差所引起的任何失真，对于不同的波形这可能有所变化。校准路径13和接收路径14必须被相位和幅度匹配到系统的所需最终精度内。

图3示出了由图1所示发射器11所执行的信号发射过程100。过程100在脉冲压缩雷达系统10的正常操作期间执行。由此，雷达系统10一被激活(即，开始发射雷达脉冲)，过程100就在判断框110开始，在此确定是否是在雷达扫描中执行校准的合适时间或地点。在一个实施例中，在扫描中执行校准的时间或地点是在每个雷达扫描周期的结尾处。在扫描期间可以执行任何次校准。如果确定不是要执行校准的时间或地点，则在步骤113去激活校准路径13，并在步骤114通过天线12发射脉冲压缩波形。如果在判断框110确定是要执行校准的时间或地点，那么在步骤111激活校准路径13，并在步骤112将校准波形直接发射到接收器15。在一个实施例中，校准波形通过天线12发射，也可直接发送到接收器15。

图4示出了图1中步骤60的过程。在步骤58进行模数转换和前端预处理之后，在判断框170确定信号是校准信号还是所接收的雷达信号。如果信号是校准信号，则在步骤171计算校准滤波器。在一个实施例中，新计算的、定义校准滤波器的滤波器系数然后用于更新之前存储的滤波器系数(见步骤172)，这使用公式诸如公式(1)所示的示范公式来完成：

UpdatedFilter＝A*Pr eviousFilter+(1-A)*NewFilter    (1)式中A是0和1之间的标量，并基于系统参数来确定。所得到的滤波器系数在步骤173存储在存储器18中。

如果在判断框170确定信号是所接收的脉冲压缩雷达信号，则在步骤174信号进行脉冲压缩，继之以在步骤175应用最近存储的校准滤波器。在一个实施例中，通过将脉冲压缩的雷达信号与校准滤波器系数相乘来在频域应用滤波器。在另一实施例中，校准滤波器可在时域应用。在又一实施例中，可在雷达信号进行脉冲压缩之前，在时域或频域向雷达信号应用校准滤波器。

在脉冲压缩和校准滤波器应用之后，在最终雷达显示被呈现给空勤人员或其它用户之前，根据其模式或类型(天气、风切变等)进一步处理雷达信号，步骤64。

图5示出了在步骤171(图4)执行的校准滤波器的计算。在步骤171，基于接收器15所接收的信号和之前确定的理想信号来确定校准滤波器。理想信号是对理想脉冲执行所有前端预处理级的期望结果。

在步骤1710，最好使用快速傅立叶变换(FFT)将所接收信号中的每个脉冲转换到频域。在步骤1711，如果已经接受到多个校准脉冲，则在每个频率对每个脉冲类型的校准脉冲求平均。接下来，在步骤1712，基于频域中的理想信号确定一组校准加权因子，见步骤1714。公式(2)是用于生成在图5的步骤1712中所执行的校准加权因子的示范公式：

$>>W>=>>>I>·>>C>*>>+>N>>>C>·>>C>*>>+>N>>>->->->>(>2>)>>>s>$

式中：

W＝该组频域校准加权因子

I＝理想信号(在频域)

C＝在每个频率的校准脉冲的平均值

C^*＝C的复共轭

N＝校准路径噪声功率的估计

最后，在步骤1713，校准加权因子相对于噪声增益进行标准化，以创建校准滤波器。公式(3)是用于相对于噪声增益对校准加权因子进行标准化的示范公式：

$>>calFilte>>r>n>>=>>W>n>\sqrt{>>>>\Sigma >>k>=>1>>>k>=>fftsize>\; >>>|>P>>C>k>>|>>2>>>>>\Sigma >>k>=>1>>>k>=>fftsize>\; >>>|>>PC>k>>|>>2>>·>>>|>>W>k>>|>>2>>>}>,>n>=>1,2>,>·>·>·>,>fftsize>->->->>(>3>)>>>s>$

式中：

W＝在公式(2)中所用的那组校准加权因子

PC＝用于此脉冲的频域脉冲压缩滤波器系数

CalFilter＝所得到的标准化的频域校准滤波器系数

图6示出了未校准的脉冲压缩脉冲250、理想脉冲压缩脉冲252和已经使用校准滤波器进行校准的脉冲压缩脉冲254的图示。未校准的信号250包括许多不希望有的旁瓣，这些旁瓣通过应用如上所述的校准过程来去除。噪声功率由256表示。

虽然如上所述，已经示出并描述了本发明的优选实施例，但在本发明的精神和范围内可以进行许多修改。因此，本发明的范围并不受所公开的优选实施例的限制。而是，本发明应完全参考如下权利要求书来确定。